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TCK?W索道鋼絲繩檢測(cè)專家系統(tǒng)的研制與應(yīng)用 -竇柏林
發(fā)表期刊:索道年會(huì)論文
摘 要：TCK?W索道鋼絲繩檢測(cè)專家系統(tǒng),第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)索道鋼絲繩自動(dòng)檢測(cè)。該技術(shù)對(duì)索道鋼絲繩的斷絲、磨損、銹蝕、疲勞等各種局部缺陷(LF)有極高的檢出率，對(duì)鋼絲繩的徑縮、有效金屬截面積的損失(LMA)等缺陷有準(zhǔn)確的分辨力，為確保索道鋼絲繩的安全運(yùn)行，提供了一個(gè)全新的技術(shù)手段。
關(guān)鍵詞：鋼絲繩檢測(cè)，TCK?W索道鋼絲繩檢測(cè)專家系統(tǒng)， 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)。
一、索道鋼絲繩檢測(cè)的現(xiàn)狀
鋼絲繩作為索道客(貨)設(shè)備中高度危險(xiǎn)的關(guān)鍵構(gòu)件，是索道運(yùn)輸?shù)纳€。鋼絲繩使用過(guò)程中，始終潛伏著因強(qiáng)度損耗而發(fā)生斷繩事故的危險(xiǎn)。美國(guó)的權(quán)威機(jī)構(gòu)曾對(duì)全球8000家鋼絲繩用戶進(jìn)行調(diào)查，結(jié)論是：有10%的在用鋼絲繩強(qiáng)度損耗超過(guò)15%，處于“危險(xiǎn)狀態(tài)”，2%的在用鋼絲繩強(qiáng)度損耗超過(guò)30%，處于“極度危險(xiǎn)狀態(tài)”。
長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺少對(duì)索道鋼絲繩科學(xué)高效的在線實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)手段，世界各國(guó)索道的斷繩事故時(shí)有發(fā)生。1999年發(fā)生的3起索道重大斷繩事故中，意大利Cavalese索道斷繩，一次死亡20人;法國(guó)阿爾卑斯山的天文臺(tái)索道斷繩，20位天文學(xué)家不幸遇難;中國(guó)貴州麻嶺客運(yùn)索道斷繩，造成一次死亡14人，傷22人的慘痛事故。2003年僅印度就發(fā)生了2起索道斷繩的重大事故，共造成11人死亡53人受傷的嚴(yán)重慘案。近幾年來(lái)，各國(guó)的客(貨)運(yùn)索道斷繩事故仍時(shí)有發(fā)生。我國(guó)四川渡口礦務(wù)局曾對(duì)其15年間貨運(yùn)索道事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：鋼絲繩斷繩事故90次，占總事故的16%，造成的停運(yùn)時(shí)間為734小時(shí)，占總停運(yùn)時(shí)間的24%。
目前，世界各國(guó)索道對(duì)鋼絲繩日常自檢普遍通過(guò)人工目測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的各種隱患，目視檢測(cè)時(shí)鋼絲繩的運(yùn)行速度不得高于0.5m/s，這種方法明顯存在效率低、不可靠的缺點(diǎn)：檢測(cè)人員目測(cè)一條長(zhǎng)度超過(guò)3000米的鋼絲繩，一次耗時(shí)至少需要120分鐘;一些長(zhǎng)度超過(guò)10000米的索道，檢測(cè)的時(shí)間至少需要10小時(shí)以上。某鋼絲繩用戶曾對(duì)一條更換下來(lái)的250米長(zhǎng)的鋼絲繩進(jìn)行解剖驗(yàn)證，目測(cè)檢查鋼絲繩表面斷絲只有13根，解剖后發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩內(nèi)部暗傷僅斷絲就多達(dá)134處，其中一個(gè)捻距內(nèi)的斷絲最多達(dá)到11根。
傳統(tǒng)的強(qiáng)磁探傷設(shè)備由于技術(shù)局限，普遍存在準(zhǔn)確率、重復(fù)率差的問(wèn)題。泰山索道曾對(duì)一條張緊索進(jìn)行無(wú)損探傷，發(fā)現(xiàn)的斷絲數(shù)并不多，還沒(méi)有達(dá)到報(bào)廢數(shù)量，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行拆散檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，幾乎每一根鋼絲都在不同的位置發(fā)生過(guò)斷裂，基本上沒(méi)有一根從頭到尾的整絲，情況十分危險(xiǎn)。
洛陽(yáng)威爾若普檢測(cè)技術(shù)有限公司最新研發(fā)的TCK?W索道鋼絲繩智慧檢測(cè)專家系統(tǒng)，可以在索道高速運(yùn)行的同時(shí)完成對(duì)鋼絲繩的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，使鋼絲繩始終處于安全受控的檢測(cè)狀態(tài)，成功的解決了索道鋼絲繩在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題。
二、TCK?W弱磁檢測(cè)技術(shù)原理
TCK?W弱磁檢測(cè)技術(shù)是基于“空間磁場(chǎng)矢量合成”原理，采用寬距、非接觸式弱磁能勢(shì)感應(yīng)裝置，通過(guò)提取被磁化的鐵磁性材料上磁場(chǎng)分布的差異信息，完成定位、定性、定量識(shí)別鋼絲繩內(nèi)外部各種缺陷的創(chuàng)新型電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
1、弱磁檢測(cè)的基本概念 鋼絲繩是由優(yōu)質(zhì)鋼材制成單絲，再經(jīng)過(guò)多重捻制而組成的1種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鐵磁性柔性傳力、承載構(gòu)件，具有良好的導(dǎo)磁能力。圖l為典型的鋼絲繩磁化特性曲線和磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線，圖中Hμm為磁導(dǎo)率μ取最大值時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。
當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于Hμm時(shí)，屬于強(qiáng)磁檢測(cè)的范圍，此時(shí)材料的磁導(dǎo)率處于Pm點(diǎn)右側(cè)。在缺陷附近的局部區(qū)域中，通過(guò)該區(qū)域橫截面(垂直于磁化磁場(chǎng)方向)上的磁通量幾乎不變化，因斷口中的空氣隙的磁導(dǎo)遠(yuǎn)小于材料磁導(dǎo)，一部分磁場(chǎng)將會(huì)繞過(guò)斷口從其附近的材料中通過(guò)，致使它們中的磁場(chǎng)強(qiáng)度升高，磁導(dǎo)率下降，從而通過(guò)斷口空氣隙外泄的漏磁通相對(duì)增大。
當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于Hμm時(shí)，屬于弱磁檢測(cè)的范圍，此時(shí)材料的磁導(dǎo)率處于Pm點(diǎn)左側(cè)，隨缺陷附近的材料中磁場(chǎng)的增強(qiáng)，磁導(dǎo)率將增大，斷口處外泄的漏磁通相對(duì)減小。這時(shí)檢測(cè)傳感器的靈敏度和最小分辨力相應(yīng)提高。
2 、弱磁的檢測(cè)原理 鋼絲繩被磁化后，在鋼絲繩內(nèi)部產(chǎn)生主磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz，在鋼絲繩表面產(chǎn)生主漏磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz1，Bz1與缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相反。傳感器對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行綜合處理時(shí)，用補(bǔ)償磁感應(yīng)矢量Bb來(lái)抵消主漏磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz1.
檢測(cè)儀上某點(diǎn)傳感線圈捕捉到得磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，是鋼絲繩外該點(diǎn)各種磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量沿軸向分量的矢量和，即公式1中：Bs為傳感線圈捕捉到的磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bz1為主漏磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bb為補(bǔ)償磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bh為環(huán)境磁感應(yīng)強(qiáng)度;By為偏移磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bd為斷絲漏磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bm為磨損漏磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bx為銹蝕漏磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bp為疲勞漏磁感應(yīng)強(qiáng)度;B′b為變形漏磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bn為第n個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量;Bi為任何缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度。
試驗(yàn)表明：傳感線圈的輸出信號(hào)U是Bs的函數(shù)，缺陷當(dāng)量△S又是U的函數(shù)，可寫(xiě)成如圖公式2中：U為傳感線圈輸出的電壓信號(hào);所以可得公式3中：△S為缺陷當(dāng)量或損耗面積的百分比數(shù);A為比例系數(shù)(由實(shí)驗(yàn)所得);C為常數(shù)。這樣，鋼絲繩損傷點(diǎn)的面積損耗值△S就變成了場(chǎng)強(qiáng)Bi的函數(shù)。
TCK?W弱磁檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：①弱磁檢測(cè)元件靈敏度極高，檢測(cè)時(shí)傳感器與被測(cè)物體表面之間的間隙允許較大，最大可達(dá)30 mm。②由于是弱磁檢測(cè)，對(duì)被測(cè)物體的磁場(chǎng)束縛力小，可以實(shí)現(xiàn)0～30 m/s速度下的檢測(cè)，因此完全可以滿足索道鋼絲繩在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求。
三、索道鋼絲繩在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用
TCK?W系統(tǒng)已經(jīng)在新加坡的圣淘沙、我國(guó)的武當(dāng)山、華錫集團(tuán)等客(貨)運(yùn)索道得到成功應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。圣淘沙索道于2010年12月引進(jìn)TCK?W系統(tǒng)，從而結(jié)束了該索道費(fèi)時(shí)費(fèi)力的人工檢查的歷史，通過(guò)3年的監(jiān)測(cè)運(yùn)行，系統(tǒng)的可靠性得到了新加坡政府BCA的認(rèn)可。TCK?W系統(tǒng)還可以對(duì)該索道鋼絲繩進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)反饋運(yùn)行中索道鋼絲繩的變化趨勢(shì)。圖2、圖3表明TCK?W系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的圣淘沙索道2280米處損傷發(fā)展趨勢(shì)，并得到圣淘沙索道的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。
圖2： 2013年02月12號(hào)2280米損傷曲線圖和數(shù)據(jù)表
圖3： 2014年03月04號(hào)2280米損傷曲線圖和數(shù)據(jù)表
廣西華錫集團(tuán)銅坑礦貨運(yùn)索道于2012年7月19日接到TCK?W系統(tǒng)報(bào)警，發(fā)現(xiàn)2號(hào)索道鋼絲繩4#接頭后2105-2122米處損傷有突變趨勢(shì)，報(bào)告顯示損傷量值已達(dá)到嚴(yán)重?fù)p傷程度。銅坑礦根據(jù)報(bào)警提示立即停機(jī)處理，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人工驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該段鋼絲繩密集斷絲嚴(yán)重，礦方因此將該損傷段切掉，重新編織接頭，從而避免了一場(chǎng)重大事故的發(fā)生。
圖4： 2012年07月19日華錫貨運(yùn)索道4#接頭后2105-2122米補(bǔ)接頭前損傷曲線和數(shù)據(jù)表
四、結(jié)論
洛陽(yáng)威爾若普檢測(cè)技術(shù)有限公司研發(fā)的TCK?W索道鋼絲繩檢測(cè)專家系統(tǒng)，第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)索道鋼絲繩的在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。該技術(shù)對(duì)索道鋼絲繩的斷絲、磨損、銹蝕、疲勞等各種局部缺陷(LF)有極高的檢出率，對(duì)鋼絲繩的徑縮、有效金屬截面積的損失(LMA)等缺陷有準(zhǔn)確的分辨力，不僅可以為正確評(píng)估被測(cè)鋼絲繩的剩余承載能力、安全系數(shù)和使用壽命提供科學(xué)可靠的檢測(cè)依據(jù)，而且為確保索道鋼絲繩的安全運(yùn)行，提供了一個(gè)全新的技術(shù)手段。TCK?W系統(tǒng)填補(bǔ)了索道鋼絲繩在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外空白，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
技術(shù)交流：wm@wmndt.com
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序號(hào)
論文名稱
發(fā)表期刊
作者單位
作者
行業(yè)
3
《中國(guó)索道協(xié)會(huì)第四屆一次理事會(huì)暨索道技術(shù)論壇》
華山三特索道
杜軍紅 彭?xiàng)?/div>
索道
14
《煤礦機(jī)電》
晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司
郭東兵
煤炭
21
《經(jīng)濟(jì)管理》
山東黃金礦業(yè)萊州有限公司焦家金礦
尹海林
金礦
35
《煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》
批準(zhǔn)執(zhí)行：國(guó)家發(fā)改委
TCK·W
煤炭
36
中國(guó)煤炭機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)、煤礦與煤炭城市發(fā)展工作委員會(huì)
煤炭
40
能 源 與 環(huán) 保
河南能源化工集團(tuán) 永煤公司陳四樓煤礦 永煤公司職工培訓(xùn)學(xué)校
奐光潤(rùn)1，謝良魁2，張 豪1，鄧高鵬1
42
機(jī)電工程技術(shù)2018年第47卷第08期
山西科林礦山檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司
張曦曦
煤礦
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